一种小槽聚光－真空管集热整体封装式太阳能集热器性能研究

■ 常泽辉 郑彦捷 郑宏飞

(1.北京理工大学机械与车辆学院；2.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院)

一 引言

太阳能集热器是太阳能热水器的核心部件，是用来吸收太阳辐射并使之转换为热能传递给传热介质的装置。常见的太阳能集热器主要有真空管式太阳能集热器、平板型太阳能集热器和热管式太阳能集热器。

平板型太阳能热水器是由金属吸热板芯、玻璃盖板、铝合金围护结构和保温材料等构成。由于其金属流道和性能不依赖真空度的结构，使其具备了一系列相对于真空管式集热器更突出的特点：整个管路采用金属元件，可承压运行；局部破损不会引起工质泄漏，易于与建筑结合，实现建筑一体化结构。基于这些优点，平板型热水器在欧洲各国的占有率为90%[1]。其缺点是冬季集热温度不高、较难满足用户需求，还特别需要防冻。

真空管式太阳能热水器，主要由真空管集热器、储热水箱、集联箱、尾架、密封件等组成。因具有无需追踪、涂层太阳吸收比大、发射比小、热效率高、经济实惠等优点而得到广泛使用。另外其集热效率较高，当环境温度大于-10℃时，集热温度可大于45℃，能基本满足用户的热水需求；但当环境温度小于-10℃时，集热温度通常不能满足用户需求。其缺点是易于破碎，因而难于承压运行，特别是在大系统和大工程中应用时，真空管集热器还存在管内大量充水运行，导致热惰性增大。

热管式真空管以其独有的结构原理和性能得到了市场的认可，但在实际应用中，也出现了新的问题，由于其管内的吸热面与管外冷凝端的散热面之比是100∶2，所以冷凝端温度很高，若不及时带走产生的热量则会影响其热效率，而且高温热水容易结垢，这也成为热效率下降的一个原因。

上述太阳能集器的一个共同的缺点是在寒冷的冬季可能无法使用。为了克服上述集热器的缺点，同时发挥各自的优势，获取更高的集热温度，有多种新的设计思想被提出。Singh H等[2]提出了一种基于CPC聚光、真空管集热整体封装的太阳能集热器，该集热器有较大的聚光角，可较长时间无需跟踪太阳，其缺点是全年的效率较低。葛洪川等[3]研制了一种在管内聚光的真空管型集热器，也能获得较高的集热温度。任云锋等[4]将复合抛物面(CPC)与热管平板式集热器相结合，对一种以平板形吸热板为接收器的CPC型热管式太阳能集热器展开研究，结果表明，该集热器不但提高了集热温度和集热效率，而且降低了热损失。张维薇等[5]设计了一种新型整体抛物面热管式真空管集热器，对该集热器的集热性能做了对比实验研究，结果表明该集热器具有较高集热性能。Kim Y等[6]对单轴跟踪式聚光太阳能集热器和固定式太阳能聚光集热器的热性能进行了对比研究，结果显示跟踪式聚光太阳能集热器集热温度稳定，其即热效率比固定式约高14.9%。上述研究结果表明，小槽聚光、真空管接收的集热器部分解决了传统集热器集热温度不高的问题，但真空管热惰性大和易于破碎的缺点并没有克服，如果没有外玻璃盖板，聚光面易积聚灰尘的缺陷也未克服。另外，即使是利用CPC聚光器，其聚光角也有限，不可能满足全天的太阳聚光需求，因此对于固定不动的聚光器，其全天采光效率较低。

为了进一步克服传统太阳能集热器的不足，设计了一种小槽聚光－真空管集热整体封装式太阳能集热器，并对其聚光性能和集热性能进行了研究，利用导热油作为传热介质，避免冬季被冻裂的缺点，能满足用户冬季的用水需求。

二 小槽聚光-真空管集热整体封装式太阳能集热器结构

本文提出的一种小槽聚光－真空管集热整体封装式太阳能集热器，其设计思想是将平板集热器、真空管集热器和聚光集热器的优点集于一体，同时又能提高真空管接收器单位面积太阳辐照度的新型太阳能集热器，使其能在冬季寒冷环境下获得60℃以上的温度。

提出的太阳能集热器有两种跟踪方式，一种是装置整体框架跟踪太阳结构，可根据太阳高度角随季节的变化，通过调节框架外的调节手柄来改变聚光槽的倾角，使太阳光聚焦线始终与真空管接收器重合。实物如图1所示，在京郊小区安装的示范工程如图2所示。

图1 新型整体框架跟踪太阳能集热器实物图

图2 京郊小区太阳能热水器示范工程图

另一种是聚光小槽自动跟踪太阳结构，采用内部跟踪方式，其产品结构如图3所示。在聚光槽两端安装有光敏探头，通过比较聚光槽两端的太阳辐照度差值，聚光槽自动调节倾角，使得两端太阳辐照度相同，并且等于最大辐照度。该集热器能实时跟踪太阳，具有集热效率高、传热介质工作稳定性好、便于与建筑结合、热惰性小等优点。图4为该集热器的一个示范工程图。经过在实际天气条件下运行，能达到预期的集热效果。

图3 新型小槽跟踪太阳能集热器实物图

图4 示范工程图

1 系统的组成

该太阳能热水器由新型槽式太阳能集热器、储热水箱、油泵、循环管路等组成，系统如图5所示。其中为了减少系统运行过程中向环境的散热，循环管路和储热水箱外均包有岩棉保温层。新型槽式太阳能集热器是整个系统的核心部件，它主要是由组合曲面聚光器、真空管集热器、太阳跟踪系统和封装外壳等主要部件依次连接组成。其中，封装外壳由透明玻璃盖板和外壳体组成。

图5 整体封装式太阳能集热系统

小槽聚光－真空管集热整体封装式太阳能集热器需对太阳光进行跟踪，可通过安装在框架上的调节手柄手动调整或聚光槽两端的光敏探头自动进行调整，以保持聚光槽对太阳光的最佳集光位置，提高集热温度和太阳能的热利用效率。

2 系统的工作原理

该装置的工作原理为：太阳光由透明玻璃盖板入射到组合曲面聚光器上，经聚光器内表面反射聚焦到真空管集热器上，使传热介质受热升温，热能再经热传导由真空管集热器内的导热油输送到储热水箱，水箱中的水受热升温，而换热后导热油的温度降低，降温后的导热油通过油泵回到集热器中，如此循环，不断加热储热水箱中的水，使水温达到用户所需要的温度。

为提高装置换热效率，减少传统真空管集热器内部的热惰性，专门设计了金属同心管(见图6)，放入真空管中，代替管中的液体。从图6可以看出，当真空管内通导热油时，导热油首先进入金属同心管的内管，然后再流入外管与内管之间的空腔，并在其中吸收太阳辐射能。与传统的U型管相比，改进后的同心管中导热油的换热面积增大，单位时间内吸收的热量随之增加，非常有利于系统的高效运行。

图6 玻璃真空管与金属同心管

3 聚光器的设计

设计聚光性能好、易于加工的多曲面槽式聚光器是实现将低能流密度太阳光聚集到真空管上的关键。所设计的聚光器横截面曲线如图7所示。它主要由抛物面、平面反射镜和槽底抛物面组成。聚光原理为：平行于对称轴的入射光线，在最大聚光宽度AB'内大部分将入射到抛物面的内表面上，经反射后入射到真空管接收器上。少部分光线直接或经平面反射镜、槽底抛物面内表面一次或二次反射后汇聚到真空管接收器上；接收器的中心线正好与抛物面的焦线重合，槽底抛物面的焦线在接收器的下部。

图7 聚光器的剖面及聚光原理图

将该聚光器在实体建模软件Pro-E(Pro/Engineer)中建模，并导入光学软件LightTools中进行光学仿真分析。假设光线条数为10×10条，真空管直径为58mm。当光线沿着轴线方向左偏13¡或向右偏13¡入射时，真空管接收器上模拟光线追迹结果如图8所示。

由图8光线追迹结果可看出，当光线沿着不同方向入射时，接收器接收的光线条数不同，在光线左偏13¡或右偏13¡入射时，进入聚光器的光线能大部分入射到接收器上，只有少部分光线反射出聚光器。结果表明，设计的集热器具的聚光角约为±13¡。

图8 光线偏离对称轴入射时，偏离角度对聚光效率的影响

三 集热器的集热性能测试

为了对集热器性能进行检验，建立实验平台对系统进行了在实际天气下的升温实验，测试系统实物图如图9所示。测试实验地点：北京市；水箱保温层厚度：50mm；材料：聚氨酯。系统其他参数及测试的结果见表1。其中，表中的环境温度为集热器附近的实测温度，水箱温度为水箱2/3高度处的温度。

图9 集热器性能测试实物图

表1 两种系统实验参数及在冬季的测量结果

从表1可以看出，在冬季相对晴好的天气条件下，此类集热器在冬季仍有较好的集热效率，集热温度可达60℃以上，这是一般的平板集热器无法达到的，即使是普通的全玻璃真空管也无法以如此高的集热效率达到这么高的温度。因此，该集热器合适在中国北方较寒冷的地区使用。

四 结论

针对传统太阳能集热器在寒冷冬季集热温度不高等弊端，提出了一种小槽聚光－真空管集热整体封装式太阳能集热器的设计思想，通过多曲面聚光槽聚光集热，提高了真空管的集热温度，使得集热器单位面积上需使用的真空管集热器数量减少，进而减少了整个系统的热惰性；采用导热油作为传热介质，可在-30℃左右运行，避免了系统结垢和沉渣等毛病，也彻底避免了真空管集热器炸管和平板集热器冬季冻裂的缺陷；使用全玻璃内插套管回流器做接收器，由于增加了传热介质的换热面积，使得换热介质可较快达到所需温度。

搭建实验测试系统对该太阳集热器进行了光学仿真和集热性能测试。结果表明，所设计的聚光器具有较大的聚光角，在环境温度为-3～-10℃时，水温最高能加热到80℃，日效率达到40%，可满足用户冬季生活热水的要求。

[1] 何梓年. 提高平板型太阳热水器产品性能扩大平板型太阳热水器市场份额[J]. 可再生能源, 2004, (1): 6－8.

[2] Singh H, Eames P C. Correlations for natural convective heat exchange in CPC solar collector cavities determined from experimental measurements [J]. Solar Energy, 2012, 86(9): 2443－2457.

[3] 彭祖林, 葛洪川, 高汉三, 等. 内聚光型太阳能光电光热复合管的光学设计[J]. 太阳能学报, 2007, 28(6): 577－582.

[4] 任云锋, 鱼剑琳, 赵华. 一种CPC 型热管式太阳能集热器的实验研究[J]. 西安交通大学学报, 2007, 41(3):291－295.

[5] 张维薇,朱跃钊,蒋金柱, 等. 新型CPC热管式真空管集热器设计与性能分析[J]. 热力发电, 2009, 38(7): 119－123.

[6] Kim Y , Han G Y , Seo T . An evaluation on thermal performance of CPC solar collector [J]. Heat and Mass Transfer, 2008, (35): 446－457.